基于CDIO的电子工程训练教学体系的探索和实践

黄雄华

（韶关学院 信息科学与工程学院，广东 韶关512005）

随着经济的发展、科技的进步，社会对大学生的知识结构、实践能力、工程应用能力，提出了更高的要求［1］。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的新成果［2］，它不但继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，而且系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12 条标准［3］。

CDIO 代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体 ,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。

信息学科具有实践性强、工程性强的双强特点。基于CDIO工程教育模式对学生开展工程训练，实现“学中做”和“做中学”，贯彻“基于项目的教育和学习”原则［4］，提高学生的综合素质、实践动手能力和创新能力，培养其团队协作精神、系统分析能力，有利于其适应现代工程团队和新产品开发的需求。

一、电子工程训练现状

近年来，随着国家对教育经费投入的增加，教学设施不断得到改善，但是总体上工程教学水平还不能很好地满足企业对人才的需求，尤其是地方本科院校由于基础薄弱，经费不足，设施并不完备，工程训练体系尚需进一步完善。

（一）场地仪器不足，训练体系不全

1977年，全国高校招生27万，随后逐年增加，1998年全国高校招生108万人，1999年高校开始扩招，当年增加54万，至2016年，高校招生已达772万人。期间，国家在高等教育资金投入数量方面有了很大的提升，但就目前的现状和实际国情来看这种提升还非常不足，它还远不能达到我国公民对于高等教育的需求。高等教育资金投入不足首先会导致高等教育所需的某些基础设施无法完善［5］。尤其是地方本科高校和非重点高校的投入增长十分缓慢，办学场地、经费不足问题十分明显。现代电子工程训练所需的新型仪器设备短缺，电子工程训练内容大多是传统的手工电路板制作、手工焊接、电子产品的组装、常规的性能参数测试等等。学生没有接受高密度PCB（Printed Circuit Board）板的制作工艺、SMT（surface mounting technology）加工工艺的工程训练过程，缺乏重要的参数检测训练等等，与企业对应用型人才的需求有较大差距。

设备不足，尤其是高价值设备的缺乏，电子工程训练只能“偷工减料”，不能形成完整的电子工程训练体系，学生实践能力不能得到充分的培养。

（二）思想认识不足，工程意识不强

受应试教育的影响，学生从中学升入大学后，应试心理仍然存在，学生中依然存在重理论，轻实践的思想；在教学体系中，传统的重视科学研究的工科人才培养模式依然根深蒂固，传统的注重科学知识传授的人才培养体制机制依然保持很强的惯性［6］。这些思想和理念，在电子工程训练中具体表现出重视不够、投入不多、课时不足、训练不严等等问题。

（三）训练内容趋同，缺乏特色亮点

受多种因素的影响，国内很多普通本科在工程实训中，其教学理念、教学模式、培养目标等“同质化”倾向明显，缺乏特色，没有亮点，工程训练内容与理论课程不能很好地衔接，与工程实践应用也不能很好地结合，把工程训练当作实验来做，机械地重复、验证的多，创新设计的少，闭门造车的多，结合产业变革的少。

（四）考核体系机械，创新激励不足

电子信息类专业应用性强，对动手能力要求较高，传统的工程训练对学生的考核方式不外乎操作是否能完成、报告是否上交、出勤是否完全等等，而忽视了学生对工程训练电路功能的理解、分析、优化、改进、设计等等具有创新性的学习过程，缺乏对学生深入钻研的激励机制，不利于培养学生的探索精神。

（五）师资队伍不足，队伍质量欠佳

长期以来，受重理论、轻实践倾向的影响，高校实验技术人员在高校人事体系中是一个容易被忽视的群体，相对教学、科研系列的教师，无论从社会地位、收入水平、职级晋升均处于一定的劣势［7］，实验、工程训练岗位招人难、用人难、留人难的现象一直存在。优秀的人才从事实验、工程训练工作的意愿较低，优秀的人才招不到，招到的优秀人才受到地位不高、待遇偏低、工作杂碎、个人发展空间有限的影响，也留不住，能坚守在实验和工程训练工作岗位的人才不多，直接导致了实验、工程训练师资队伍数量不足，质量欠佳的问题。

二、电子工程训练教学体系设计

建立科学合理、符合现代电子工程训练要求的电子工程训练教学体系，对培养新一代工程科技人才，深化工程教育改革，加强大学生的工程实践能力培养具有重要意义［8］。韶关学院是一所地处粤北山区的地方本科院校，上述电子工程训练中的问题基本都存在，在省市共建的大好环境下，精心设计教学体系，是提高办学水平和人才培养质量的重要途径。

（一）设计原则

第一，流程完整原则。为加强工程训练，使学生接受较为全面的电子工艺流程训练，需要从电子产品的电路图设计、加工制作、性能测试整个流程进行规划。相比仅有手工制作的电子工程训练，需要增加PCB板的阻焊层、字符层的制作过程，在电压、电流、波形等参数测试的基础上，增加频谱分析、失真度分析等参数的测试，完善工艺流程的训练。完整的流程设计，为CDIO四阶段的实施奠定了基础。

第二，工艺先进原则。传统的电子工程训练，一般只进行手工焊接练习，为了与企业生产实践工艺接轨，训练中需要引入贴片元件的组装，相应地要增加贴片机、锡膏机、回流焊等新工艺的训练；传统的电子工程训练，一般通过手工的方法制作PCB的电路层，为使学生了解PCB板制作的客观真实工艺，引入PCB板化学蚀刻电路板的流水线，可以完成电路层、阻焊层、字符层的制作工艺过程，以便满足CDIO的设计——实现经验标准。

第三，功能齐全原则。工程训练室在规划过程中，本着投入产出比最大化的原则，设计的电子工程训练室，在完成电子工程训练教学的同时，应具备对外培训、科学研究、小批量生产的能力。因此，在测试室除常规测试仪器如100 M示波器、万用表、毫伏表等等外，还需配置少量的高频示波器（1G Hz）、高频毫伏表、数字扫描仪、数字频谱仪、失真度测试仪等精密仪器；在PCB打样室配置激光雕刻机；在电路板制作室配备手动精密贴片台，为科学研究工作的开展提供必要的条件。

（二）场地规划

按CDIO标准，工程实践场所的要求，学生有较多的机会在现代工程软件和实验室内发展其从事产品、过程和系统建构的能力，实践场所以学生为中心、方便、易进入并易于交流。需要规划设计机房、电路板制作室、PCB打样室、手工焊接室、贴片室、测试室六个电子工程训练室。

（1）设计机房。机器上安装了专业的电子设计软件Altium Designer，用于完成工程训练中电子产品的电路设计，包括电路图的绘制、仿真，PCB图形的生成和设计，以及后续电路板加工、制作文件的生成，是CDIO的设计阶段。

（2）电路板制作室。电路板制作室有化学蚀刻流水线一条、菲林纸打印机、刮油墨机、曝光机等辅助设备，用于制作PCB板，是CDIO的实现阶段。

（3）PCB打样室。有激光雕刻机，专门用于小批量的PCB快速制作,方便科研和产品样品PCB的制作。

（4）手工焊接室。主要用于 THT（through-hole technology）元件焊接的练习，兼顾SMT元件的手工焊接。在自动焊接技术高度发展的今天，手工焊接还是电子信息类专业学生必须掌握的基本技能，在研发初期、实验品试制、测试维修及售后服务等过程中，都需要具备手工焊接的基本技能。因此，手工焊接是重要的、基本的工程训练内容，也是CDIO的实现阶段。

（5）贴片室。贴片室主要用于贴片元件的安装，属于CDIO的实现阶段，整个过程包括上锡膏、贴片、回流焊接三个核心步骤，因此对应的设备主要有锡膏机、贴片机、回流焊机以及相应的辅助设备。

（6）测试室。为验证电子产品的性能和质量，在测试室对其进行系列的性能参数测试，这是产品包装入库进入市场的质量检测过程，对参数不合要求的作品，要分析、查找原因，进行设计的改进或者废弃处理，属于CDIO操作阶段的内容。

（三）内容设计

根据电子工程训练的教学大纲和CDIO工程教育的理念，训练内容要使学生根据需求，设立系统的目标和要求，构思系统的功能和结构；掌握产品的电路设计；熟悉产品的加工过程；了解产品的运作流程。

（1）手工焊接练习。考虑到手工焊接的专业技能基础属性，这是所有参与电子工程训练学生必须完成的内容。手工焊接不仅要练习THT元器件的焊接，还要练习SMT元器件的焊接，集成芯片的焊接。

（2）电子元器件的识别、使用训练和常用仪器的使用训练。

（3）收音机的组装。通过选择合适的电子工程训练用AM收音机型号，把SMT贴片焊接，集成块的焊接融合在组装过程中，训练学生学习SMT工艺技术。对电子、通信等专业的学生，增加学生自行绘制原理图（电路图），并作改进、优化，然后制作PCB板内容，替换现有PCB板，再组装好收音机。

（4）收音机参数的测试。测试组装好的收音机的信号失真度、频谱、电压、波形等参数。

上述四个训练内容，基本上建立了CDIO的构思、设计、实现、运作四个过程的完整流程。

（四）过程管理

基于CDIO，学生考核是其12大标准之一，考核如何度量和记录，是重要的环节。

通过分组的方法，在不同的工程训练室，交替开展训练，可以达到有效利用场地的目的；通过对每个训练步骤进行考核，确立ABCDE五个等级，低于C等级的步骤要重做，以保证训练效果；获得全A等级的学生，其组装的收音机作为奖品奖励给他们，借以激发学生的热情。其他学生的作品收回供后续同学作为拆卸练习使用。

（五）队伍建设

教师个人基本能力提升也是CDIO标准之一，应该得到支持和鼓励。相对于传统电子工程训练，设计的电子工程训练中增加了SMT内容和流水线PCB板的制作内容，教学内容增加了，工作量增大了，技术难度提高了，同时需要熟练使用电路设计仿真软件 Altium Designer及 Create-DCM、CAM350等多种其它的专业制板辅助软件，对工程训练教师的知识和技能要求大幅地提高了，补充新的工程训练师资的同时，对原有师资开展相关内容的培训，也是电子工程训练教学正常展开所必要的。另外，由于技能要求高，传统的师资培训也非一日之功，实行帮传带，师傅带徒弟的模式，现场跟学的形式，也是重要的师资培养途径。

三、结语

电子工程训练作为电子信息类专业的重要实践教学内容，其体系的建立是一个复杂的过程，需要根据具体的办学定位、教学大纲、资源条件来设计，也是一个不断改进和完善的过程。韶关学院的电子工程训练教学体系借鉴了多家兄弟院校的经验，并充分考虑了本校的教学实际，按照CDIO工程训练理念，经过反复论证，在实践的基础上不断总结完善而成，经过该体系的训练，学生能较好地掌握电子产品的构思、设计、实现和运作过程，有效提高了电子工程训练效果，提高了人才培养质量。